DE2342090A1

DE2342090A1 - Antenne mit variabler strahlbreite

Info

Publication number: DE2342090A1
Application number: DE19732342090
Authority: DE
Inventors: Richard E Marinaccio
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-08-25
Filing date: 1973-08-21
Publication date: 1974-03-14
Also published as: US3771163A; FR2197246B1; JPS4960659A; FR2197246A1

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Düsseldorf, 14.08,1973

Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Antenne mit variabler Strahlbreite

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Antennen mit variabler Strahlbreite, und insbesondere ein Bordantennensystem mit elektronischer Steuerung. Einige Radarsysteme und andere Navigationssysteme erfordern für den Flug in geringer Höhe eine schmale vertikale Strahlbreite, um die verfügbare Leistung in dem interessierenden Bereich zu konzentrieren, sowie einen relativ kleinen nach unten gerichteten Hauptabstrahlwinkel, während sie für den Flug in großer Höhe eine große vertikale Strahlbreite und einen größeren Neigungswinkel erfordern¹.

Bei Mikrowellen-Antennensystemen kann es erwünscht sein, daß die Breite des Strahles in vorbestimmter Weise variiert wird. Eine Vergrößerung der Strahlbreite kann beispielsweise durch Entbündelung der Antenne gemäß der US Patentschrift 3 364 490 erfolgen. Dementsprechend leitet ein System mit einer Antenne mit variabler Strahlbreite die Information von den Phasenbeziehungen ab, welche zwischen verschiedenen Abschnitten des empfangenen Signales bestehen: hierzu kann eine Antenne, eine erste Einrichtung zum Ändern des Fokussierungseffektes und eine zweite Antenneneinrichtung vorgesehen werden, welche mit der ersten Einrichtung verbunden ist und die Phasenverschiebung kompensiert, welche auf

409811/0879

Telefon (O211) 320858 Telegramme Custopat

die Änderung des Fokussierungseffektes auf Grund der ersten Einrichtung bezogen ist.

Eine Verbreiterung der Strahlbreite einer Antenne kann auch erreicht werden, indem der effektive Durchmesser der Strahlungsapertur herabgesetzt wird. Die vorbekannten Verfahren waren jedoch wenig wirksam, kompliziert und im Betrieb mit verminderter Apertur störanfällig.

Weiterhin kann eine Strahlveränderung durch das Verfahren der Nebenkeulen-Abfrageunterdrückung gemäß der US Patentschrift 3 325 816 erreicht werden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung, mit welcher näherungsweise eine Veränderung im Verhältnis von 2:1 in der Strahlbreite elektronisch in einem Antennensystem mit einer linearen Anordnung der Elemente erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei einer Antenne mit variabler Strahlbreite, welche aus einer Quelle für Hochfrequenzsignale gespeist wird, η Antennenelemente derart angeordnet sind, daß sie in einer Betriebsart als eine erste und zweite angrenzende Untergruppe mit n/2 Elementen und in einer anderen Betriebsart als eine einzige Anordnung von η Elementen arbeitet, eine Eingangseinrichtung mit der Quelle für die Hochfrequenzsignale verbunden ist, eine erste Speiseschaltung die Eingangseinrichtung mit der Untergruppe von n/2 Elementen verbindet ^ eine zweite Speiseschaltung die Eingangseinrichtung mit der zweiten Untergruppe von n/2 Elementen verbindet und eine Serrodynschaltung mit der zweiten Speiseschaltung b verbunden ist und in einer Betriebsart betätigbar ist, so daß die der zweiten Speiseschaltung zugeführten Hochfrequenzsignale im Serrodynverfahren moduliert werden und ein Hochfrequenzsignal von der zweiten Untergruppe mit n/2 Elementen in einem Strahlungsmuster mit relativ großer Strahlbreite abgestrahlt wird und bezüglich der Trägerfrequenz relativ zu dem Hochfrequenzsignal verschoben wird, welches von der ersten Untergruppe mit n/2 Elementen abgestrahlt wird,

409811/0879

welche auch ein Strahlungsmuster mit einer relativ großen Strahlbreite hat, die Serrodynschaltung in der anderen Betriebsart unwirksam ist, bei welcher die ersten und zweiten Speiseschaltungen gemeinsam phasengleiche Hochfrequenzsignale von der Quelle zu der betreffenden Untergruppe mit n/2 Elementen speisen und dadurch eine zusammengesetzte Antennenanordnung mit η Elementen geschaffen wird, welche einen relativ schmalen Strahl mit einer einzigen Trägerfrequenz abstrahlt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung . zeigen:

Fig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Antennenanordnung und

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der schmalen und breiten Strahlungsmuster, welche in den ersten bzw. zweiten Betriebsarten der Vorrichtung nach der Erfindung erhalten werden.

Gemäß Fig. 1 enthält eine lineare Bordantennenanordnung η Mikrowellen abstrahlende Elemente, welche in gleichen Abständen angeordnet und zur Abgabe eines Strahlungsmusters, beispielsweise in der Höhe ausgerichtet sind, wenn ihnen geeignete Hochfrequenz-Mikrowellensignale zugeführt werden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ist η = 4. Eine Hälfte (n/2)der Elemente in der Anordnung von 4 Elementen ist mit 12, und 12_ bezeichnet, während die andere Hälfte der Elemente mit 14, und 14₂ bezeichnet ist. Die Strahlungselemente 12, und 12» sind mit einem Hochfrequenzleistungskoppler durch Mikrowellenenergieleitungen 18 bzw. 20 verbunden,- welche beispielsweise aus Wellenleitern bestehen. Ein Verstärker 22 für Mikrowellensignale, beispielsweise eine Wanderfeldröhre (TWT) ist mit dem Leistungsteiler 16 durch eine Energieleitung 24 verbunden. Der Eingang des Verstärkers 22 ist zu einem primären Leistungsteiler 26 durch eine Energieleitung 28' zurückverbunden. Der Leistungsteiler 26 ist durch eine Energieleitung 30 mit einem

409811/0879

TWT-Eingangsverstärker verbunden. Der Eingang des TWT-Verstärkers 28 ist mit einer geeigneten Hochfrequenz-Eingangseinrichtung 32 mittels einer Energieleitung 34 verbunden.

Die andere Hälfte der Anordnung mit den Elementen 14^ und 142 ist mit dem primären Leistungsteiler 26 ähnlich wie die Elemente 12, und 12_ verbunden. Im einzelnen sind die Strahlungselemente 14-^ und 14_ durch entsprechende Energieleitungen 36 und 38 mit einem Leistungsteiler 40 verbunden, dessen Eingang mit dem Ausgang des TWT-Verstärkers 42 durch die Energieleitung 44 verbunden ist. Der Eingang zum TWT-Verstärker 42 ist durch eine Energieleitung 46 zu dem Leistungsteiler 26 zurückverbunden. Der TWT-Verstärker 42 kann zusätzlich durch einen Serrodyn-Signalgenerator 48 durch die elektrische Signalverbindung 5O gesteuert werden. Der Signalgenerator 48 kann mit einem Steueranschluß 52 verbunden werden, der "EIN/AUS"-Steuersignale empfängt, wodurch der Signalgenerator 48 ein Sägezahnsignal erzeugt oder nicht erzeugt, welches mit der Leitung 50 zur Modulation des TWT-Verstärkers 42 verbunden ist. Wenn ein "EIN"-Signal an der Klemme 5 2 erscheint, wird ein Sägezahnsignal durch den Signalgenerator 48 erzeugt, der durch die Leitung 50 mit dem TWT-Verstärker 42 verbunden ist, um eine Modulation der Hochfrequenz-Energie zu bewirken, die dem Verstärker 42 von dem Leistungsteiler 26 zugeführt wird. Die Hochfrequenzenergie im Verstärker 42 wird durch das Sägezahnsignal des Signalgenerators 48 im Serrodynverfahren moduliert. Diese Modulation führt zu einer kontinuierlichen linearen Phasenverschiebung, die sich mit 2 77"wiederholt. Eine derartige Phasenverschiebung bewirkt, daß die Energie in dem ursprünglichen Trägerfrequenzsignal um einen vorbestimmten konstanten Betrag entsprechend der Frequenz des Modulationssignales, d.h. der Frequenz der Sägezahnspannung auf der Leitung 50 moduliert wird, wenn an der Klemme 52 ein "EIN"-Signal erscheint. Wenn ein "AüS"-Signal an der Klemme 52 auftritt, wird der Signalgenerator 48 abgeschaltet und das Modulationssignal vom Verstärker 42 entfernt. Dieses Verfahren ist in der US Patentschrift 3 058 O49 beschrieben.

40981 1/0879

In der üblichen oder ersten Betriebsart tritt keine modulierende Sägezahnspannung auf, da ein "AUS"-Steuersignal an der mit dem Signalgenerator 48 verbundenen Klemme 52 anliegt. Das abzustrahlende Hochfrequenz-Eingangssignal wird der Eingangseinrichtung zugeführt, wo es durch den TitfT-Verstärker 28 an den primären Leistungsteiler 26 weitergeleitet wird. Das Hochfrequenzsignal wird dann in zwei getrennte Kanäle geleitet, welche die TWT-Verstärker 22 bzw. 42 aufweisen. Das Hochfrequenz-Aüsgangssignal in den Energieleitungen 24 und 44 befindet sich in Phase und wird jeweils den Leistungsteilern 16 und 40 zugeführt. Die Äntennenelemente 12, und 12₂ werden mit Hochfrequenzsignalen gleicher Phase vom Leistungsteiler 16 gespeist, während die Antennenelemente 14, und 14„ gleichphasige Hochfrequenzsignale vom Leistungsteiler 40 erhalten. Dadurch strahlt eine lineare Anordnung mit η = 4 Elementen einen relativ schmalen Strahl mit einer scheinbaren Quelle 52 längs einer ßezugsachse. Da die Strahlbreite umgekehrt proportional dem Durchmesser der Strahlapertur ist, und die Apertur der Anordnung durch die Anzahl der Elemente mal der Apertur eines einzigen Elementes bestimmt ist, ist der Strahl schmaler als wenn die Anordnung durch η Elemente gebildet würde.

Die zweite Betriebsart ist auf die Abstrahlung mit einer relativ größeren Strahlbreite gerichtet. Hierzu wird ein "EIN^M-Steuersignal an die Klemme 52 abgegeben, worauf der Signalgenerator 48 an den TWT-Verstärker 42 ein Sägezahnsignal abgibt. Das abzustrahlende Hochfrequenzsignal wird wieder von dem primären Leistungsteiler 26 zugeführt und von dort an den TWT-Verstärker 22 und den TWT-Verstärker 42 weitergeleitet. Der TWT-Verstärker 42 ist nun mit einer Sägezahnspannung moduliert, die ihm durch den Signalgenerator 48 zugeführt ist. Diese Serrodynmodulation bewirkt wieder eine Frequenzverschiebung des Hochfrequenzsignales. Daher ist das von den Antennenelementen 14^ und 142 abzustrahlende Hachfrequenzsignal bezüglich der Frequenz gegenüber dom von den Äntennenelementen 12, und 12, abgestrahlten Signalen vorschoben« Dadurch arbeitet die Anordnung 10 wie zwei getrennte

409811/0879

Antennenabschnitte oder Untergruppen, von denen die eine die Elemente 12, und 12_ aufweist, während die andere die Antennenelemente 14, und 14₂ aufweist. Das dem Leistungsteiler 16 zugeführte Hochfrequenzsignal wird den Elementen■12, und 12- mit gleicher Phase zugeführt und es entsteht somit eine lineare Untergruppe mit n/2 Strahlungselementen und einer scheinbaren Quelle 54, welche einen relativ breiten Strahl A abstrahlt, da die Anzahl der Antennenelemente im Verhältnis 1:2 verringert ist. Mit anderen viorten wird die Apertur im Verhältnis 1:2 verringert, was dazu führt, daß von den Elementen 12, und 12_ ein relativ breiterer Strahl abgestrahlt wird. Andererseits wird die bezüglich der Frequenz verschobene Hochfrequenzenergie dem Strahlteiler 40 und eine andere Hochfrequenzenergie gleicher Phase den Elementen 14, und 14₂ zugeführt, so daß eine scheinbare Quelle 56 mit n/2 Elementen entsteht, die einen zweiten relativ breiten Strahl B abstrahlt. Insgesamt werden zwei getrennte Strahlen A und B erzeugt, welche den gleichen Winkelbereich überstrahlen, und zwar der Strahl A der oberen Untergruppe und Strahl B von der unteren Untergruppe. Im Betrieb überlappen sich jedoch breite Strahlen A und B, und sie scheinen von der gleichen scheinbaren Quelle 52 als schmaler Strahl gemäß Fig. 2 zu stammen. Dadurch wird die Strahlbreite gesteuert, indem das Modulationssignal ein- und ausgeschaltet wird, wobei sich bei der Einschaltung ein breiter Strahl und bei der Ausschaltung ein schmaler Strahl ergibt.

Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für ECM-Bordsysterne, bei denen die TWT-Verstärker 22 und 42 ein gemeinsames Signal empfangen, welches entweder ein Rauschsignal oder ein empfangenes Radarsignal sein kann, das im Wiederholungsbetrieb wiederum abgestrahlt werden soll. Die Leitungslängen und die TWT-Phasenverschiebungen sind normalerweise abgestimmt, so daß alle Antennenelemente im Schmalbandbetrieb in Phase gespeist werden und eine herkömmliche lineare Anordnung erreicht wird, welche einen schmalen Strahl ergibt, wobei die elektrische Justier- bzw. Bezugslinie der Anordnung der mechanischen Justierlinie ent-

409811/0879

spricht. Der breitere Strahl wird in der zweiten Betriebsart durch Serrodynmodulation des TWT-Verstärkers 42 erreicht, was zu einer Frequenzverschiebung des Signales führt, welches die eine Hälfte der Anordnung speist, bezüglich dem Signal, welches die andere Hälfte der Anordnung speist. Da in der zweiten Betriebsart zwei Strahlen gebildet werden, hat das entstehende zusammengesetzte Strahlungsmuster eine gleiche Durchschnittsleistung wie die Summe von jedem Strahl. Das zusammengesetzte Signal wird auch bezüglich der Amplitude mit einer Frequenz moduliert, welche der Serrodynfrequenz entspricht. Falls jedoch die Geschwindigkeit hoch im Vergleich zu der gewünschten Modulation ist, erfolgt keine bedeutende Amplitudenverringerung. Insgesamt wird also ein während des Fluges wirksames elektronisches Strahlsteuerungssystem geschaffen.

Patentansprüche;

4098 1 1 /0879

Claims

Patentansprüche :

Antenne mit variabler Strahlbreite, welche aus einer Quelle für Hochfrequenzsignale gespeist wird, dadurch gekennzeichnet , daß eine Antennenanordnung aus η Antennenelementen (12·^, 12₂, 14^' -^2^ d^erart angeordnet ist, daß sie in der einen Betriebsart als erste und zweite angrenzende Untergruppe aus n/2 Elementen und in einer anderen Betriebsart als eine einzige Anordnung aus η Elementen arbeitet, eine Eingangseinrichtung (32) mit der Quelle für Hochfrequenzsignale verbunden ist, eine erste Energieübertragungsschaltung (28, 22, 24, 16, 18, 20) die Eingangseinrichtung mit der ersten Untergruppe mit den n/2 Elementen (12-,, 12₂) verbindet, eine zweite Energieübertragungsschaltung (46, 42, 44, 36, 38) die Eingangseinrichtung mit der zweiten Untergruppe aus n/2 Elementen (14-, , 14₂) verbindet und eine Serrodynschaltung (4) mit der zweiten Energieübertragungsschaltung verbunden ist und in einer Betriebsart die der zweiten Energieübertragungsschaltung zugeführten Hochfrequenzsignale moduliert, so daß ein von der zweiten Untergruppe mit n/2 Elementen abzustrahlendes Hochfrequenzsignal in einem Strahlungsmuster mit einer relativ großen Strahlungsbreite abgestrahlt und bezüglich der Trägerfrequenz relativ zu dem Hochfrequenzsignal verschoben wird, das von der ersten Untergruppe mit n/2 Elementen abgestrahlt wird, welche ebenfalls ein Strahlungsmuster mit einer relativ großen Strahlungsbreite hat, die Serrodynschaltung in der anderen Betriebsart nicht betätigt ist, in welcher die ersten und zweiten Energieübertragungsschaltungen gemeinsam Hochfrequenzsignale gleicher Phase von der Quelle für Hochfrequenzsignale zu der entsprechenden Untergruppe für n/2 Elemente speisen und dadurch eine zusammengesetzte Antennenanordnung aus η Elementen bilden, welche einen relativ schmalen Strahl

40981 1 /0879

-9 rait einer einzigen Trägerfrequenz abstrahlen.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung einen linearen Mikrowellenbereich umfaßt.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Energieübertragungsschaltung einen Hochfrequenzverstärker (42) enthält.
4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzverstärker eine Wanderfeldröhre enthält.
5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in der ersten Energieübertragungsschaltung eine Wanderfeldröhre (22) enthalten ist.
6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Serrodynschaltung einen Sägezahngenerator (48) aufweist, der wahlweise in der einen Betriebsart aktiviert werden und in der anderen Betriebsart abgeschaltet werden kann.
7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangseinrichtung einen ersten Hochfrequenz-Leistungsteiler (26) enthält, der zwischen der Quelle (32) für Hochfrequenzsignale und den ersten und zweiten Energieübertragungsschaltungen verbunden ist und zusätzlich zweite (16) und dritte (4O) Leistungsteiler enthält, die jeweils die erste bzw. zweite Energieübertragungsschaltung mit der ersten und zweiten Untergruppe von η Elementen'verbinden.
8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich-

409811/0879

net, daß die Eingangseinrichtung zusätzlich einen Hochfrequenzverstärker (28) enthält, der die Quelle (32) für Hochfrequenzsignale mit dem ersten Hochfrequenz-Leistungsteiler (26) verbindet.
9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zuletzt genannte Hochfrequenzverstärker eine iianderfeidröhre enthält.

Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Energieübertragungsschaltungen Speiseelernente mit Leitungslängen aufv/eisen, welche im wesentlichen gleich sind, so daß Hochfrequenzsignale erzeugt werden, welche sich an den η Elementen während der anderen Betriebsart in Phase befinden.

409811/0879